Implementation of an IoT Architecture for Remote Monitoring of Patients in Smart Beds

Abstract

Digital healthcare is an ever growing and promising field. Powered by tools such as Internet of Things (IoT), it can lead to the relief on healthcare facility strain, by allowing patients to be constantly monitored in the comfort of their homes. Work performed during this dissertation is integrated in the WoW project, which aims to conceive a fully wireless and remote patient biomonitoring system, using a complete architecture that allows for collected data to be sent to an Health Information System (HIS), making the system compatible with any healthcare facility that supports Electronic Health Records (EHR). The focus was placed on integration of the system and respective major components, using a multitude of protocols and standards such as Bluetooth Low Energy (BLE) or Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). This included improving existing modules such as a per-patient Graphical User Interface (GUI) and developing mechanisms to extract important system evaluation metrics. All of this culminates in a final project pilot, performed in a real-life scenario in a hospital facility in partnership with Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra (CHUC), where the system was extensively tested with real patients, and valuable data was extracted to evaluate its performance, allowing us to declare the system as suitable for real-world usage. Following the hospital pilot tests, an in-depth empirical study on the MQTT protocol was performed. Both the protocol itself and a very popular broker were submitted to extensive testing with well-defined configurations, allowing for a deep evaluation about its performance and assess how it is affected by several dynamic parameters.

O ramo dos cuidados médicos digitais é promissor e está em constante crescimento. Com a assistência de ferramentas como a Internet das Coisas (IoT), verifica-se um alívio de problemas críticos como a pressão nas instituições de saúde, ao permitir que os pacientes sejam constantemente monitorizados no conforto das suas casas. O trabalho realizado durante esta dissertação insere-se no projeto WoW, que tem como objetivo conceber um sistema de biomonitorização de pacientes sem fios e remoto, usando uma arquitetura completa que permite que os dados recolhidos sejam enviados para um Sistema de Informação Hospitalar (HIS), tornando o sistema compatível com qualquer instituição que trabalhe com Registos de Saúde Eletrónicos (EHR). O foco é colocado na integração do sistema e respetivos componentes principais, usando uma panóplia de protocolos e padrões como o Bluetooth Low Energy (BLE) ou o Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Isto incluiu aperfeiçoar módulos existentes como a Interface Gráfica de Utilização (GUI) e desenvolver mecanismos para extraír métricas importantes de avaliação do sistema. Tudo isto clumina num teste final do projeto, realizado em cenário real num hospital, através de uma parceria com o Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra (CHUC), onde o sistema foi extensivamente testado com pacientes reais, e dados de valor foram extraídos para avaliar o seu desempenho, o que permitiu declarar o sistema com apropriado para utilização em contexto real. No seguimento dos testes piloto em ambiente hospitalar, foi realizado um estudo empírico aprofundado sobre o protocolo MQTT. Tanto o protocolo em si como um broker bastante popular foram submetidos a uma bateria de testes com configurações bem definidas, permitindo uma análise profunda sobre o seu desempenho e como este é afetado por vários parâmetros dinâmicos.